炉外炼钢工艺.docx

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炉外炼钢工艺

炉外炼钢工艺及其发展

学院：

材料科学与工程学院

班级：

材料124班

学号：

201211601402

姓名：

胡建平

炉外炼钢工艺及其发展

胡建平

（昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆明650093）

摘要:

随着经济发展，社会主义现代化建设的不断推进，钢铁在现代化建设之中发挥着越来越重要的作用。

然而地球尚可供开采、用于炼铁的铁矿石却是有限的。

因此，改进炼铁、炼钢工艺，提高钢铁产量、质量显得尤为重要。

当今世界各国，普遍采用的炼钢方法有三种：

转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法。

连铸技术在钢铁生产中的利用是钢铁冶金工业的一次技术革命，它不仅大大提高了生产率，减少了材料消耗，并且提高了材料的质量。

关键词:

转炉炼钢炉外精炼真空脱气真空脱氧惰性气体处理连铸

引言（前言）

炼钢过程分为初炼和精炼两步进行。

初炼：

炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。

精炼：

将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。

这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。

正文

（一）转炉炼钢

转炉炼钢（convertersteelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。

转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。

碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。

转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。

一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。

转炉炼钢法的主要特点是：

靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。

炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。

转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。

酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。

碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。

空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。

1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。

简史1856年，英国贝塞麦（H.Bessemer）发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。

从此开创了大规模炼钢的新时代。

1879年英国托马斯（S.G.Thomas）创造了碱性转炉炼钢法。

造碱性渣除磷,适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼，一般称托马斯转炉炼钢法。

1891年，法国特罗佩纳（Tropenas）创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法，曾在铸钢厂得到应用。

用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。

到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。

但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。

1948年杜雷尔（R.Durrer）在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨（Linz）和多纳维茨（Donawiz）钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。

后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。

50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。

随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉（Kaldo）炼钢法,罗托转炉（Rotor）炼钢法,但都未能推广。

喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。

尽管氧气顶吹转炉法得到广泛发展，有人认为由底部供气,熔池搅拌力强,冶炼过程较为合理。

1965年加拿大空气液化公司试验成功用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术。

随后法国也试成用燃料油冷却喷嘴的技术。

较好地解决了氧气底吹风口烧损快的问题,使底吹转炉炼钢方法得以复苏。

1967年后在联邦德国和法国分别采用上述两项技术建造氧气底吹转炉投入生产,称为”OBM”法（即OxygenBottom-blowMaximilian）和“LWS”法（为Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的缩写）。

1971年美国引进“OBM”的技术，用于底吹氧气喷石灰粉吹炼含磷生铁，取名“Q-BOP”法，Q表示不平静quiet快quick和优质quality，BOP为碱性氧气法（见氧气底吹转炉炼钢）。

氧气顶吹转炉采用喷嘴或透气砖自底部吹入少量惰性气体或氧气,可明显地改善熔池的搅拌力,而兼有底吹和顶吹的优点，1974年英国首先在1.25吨转炉上、1975年法国和卢森堡合作在65吨转炉上先后试验顶底复合吹炼转炉炼钢成功。

随后开始在世界范围内推广应用。

中国于30～40年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨／年。

50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。

50～60年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20％以上。

50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。

以后在各地相继建成投产。

1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64％。

原理转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600℃或更高）温度。

氧化当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。

各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。

首先氧化的是硅、锰和少量的铁。

开始时因温度低（1200～1300℃），而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。

随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。

随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。

碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。

脱氧转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08％。

其含量主要取决于终点钢水的碳含量（图1）。

但在固体钢中氧的溶解度很低,仅为0.002～0.003％,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。

所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。

脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下（见钢的脱氧反应）。

各元素在1600℃时的脱氧能力比较见图2。

在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。

为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。

（二）炉外精炼

1933年法国佩兰（R.Perrin）应用专门配制的高碱度合成渣，在出钢的过程中，对钢液进行“渣洗脱硫”，这是炉外精炼技术的萌芽。

1950年在联邦德国用钢液真空处理法脱除钢中的氢以防止“白点”。

60年代末期以来，炉外精炼技术经过不断地发展，目前已有几十种方法应用于工业生产，逐步形成了炼钢工艺中的一个新分支。

中国于1957年开始研究钢液真空处理法。

建立了钢液脱气、真空铸锭装置，70年代建立了氩氧炉、钢包精炼炉和钢包喷粉装置等炉外精炼设备。

钢液的炉外精炼是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，炉外的“钢包”或者专用的容器中进行。

这样就把原来的炼钢工艺分成两步进行：

第一，在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，称为初炼炉；第二，在钢包或专用的精炼容器中进行精炼。

这些“钢包”或者专用的容器称为精炼炉。

真空脱气钢液中气体的溶解度服从平方根定律，钢中进行脱氢含量，在钢液真空处理时,降低精炼容器中氢的分压p,即可达到钢液脱氢的目的。

氢的溶解反应平衡常数KH是温度的函数，在1600℃时，KH=0.0027。

氢在钢液中溶解平衡常数低,扩散速度快,所以钢液脱氢速度很快，可使钢中氢含量接近平衡值。

同理，也可进行脱氮,但氮在钢液中的溶解平衡常数较高,KN=0.040，扩散速度慢,因此钢液真空处理时，氮的脱出率仅为10～25%。

真空脱氧炉外精炼通常用两种脱氧方法：

真空下碳脱氧和加入合金元素硅、锰、铝等进行沉淀脱氧。

真空下碳氧反应为:

【C】+【O】─→CO↑，则【C】%·【O】%=ppCO/K=mppCO,平衡常数K为温度的函数，在1600℃和ppCO=1大气压时值为0.0020～0.0025,因此真空下碳的脱氧能力很强，可超过脱氧元素硅、锰和铝。

反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态,在真空下极易排除。

惰性气体处理向钢水中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零）具有“气洗”的作用。

炉外精炼生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。

用惰性气体加氧进行精炼脱碳（工艺过程中不断变换氩/氧的比例），可以降低碳氧反应中CO的分压，在较低温度的条件下，降低碳含量而铬不被氧化。

钢液搅拌炉外精炼过程中对钢液进行搅拌，使钢液成分和温度均匀化，并能促进冶金反应。

多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应限制性环节。

钢液在静止状态下，冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需要30～60分钟；炉外精炼中搅动钢液进行脱硫只需3～5分钟，即可达到同样的效果。

钢液在静止状态下，夹杂物靠上浮除去，服从于斯托克斯（Stokes）定律，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去服从于指数规律,式中Xt和X0分别表示时间s和开始时间（s=0）时夹杂物的浓度；k为常数，与搅拌强度、类型和夹杂物的特性有关。

处理方式钢包处理型炉外精炼。

特点是精炼时间短（10～30分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。

有钢水脱气、脱硫，成分控制和改变夹杂物形态等装置。

真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid）,钢包喷粉（CaSi或其他粉剂）处理法（IJ、TN、SL）等均属此类。

钢包精炼型炉外精炼特点是精炼时间长（60～180分钟），具有多种精炼机能,有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼生产。

真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）和钢包精炼炉法（ASEA-SKF）等,均属此类。

与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。

工艺特点炉外精炼具有共同工艺特点：

①选择一个理想的精炼气氛条件，通常采用真空、惰性气氛或还原性气氛。

②对钢液进行搅拌，可采用电磁感应、惰性气流或机械方法搅拌。

③钢液加热，在精炼过程中通常采用电弧加热、埋弧加热、等离子加热或增加化学热等。

各种炉外精炼法不外乎这三个方面技术的不同组合。

工业生产概况在各种炉外精炼方法中，钢包处理型炉外精炼在工业生产中使用最多。

70年代末期世界各国投入工业生产的炉外精炼设备约有400余座。

美国和日本生产轴承钢全部都经真空处理（RH法、DH法等），超低硫钢的生产以及控制夹杂物形态的钢种主要应用钢包喷粉处理法生产（TN法、SL法）。

AOD炉利用氩-氧混合吹炼生产不锈钢，铬元素的回收率达98%以上，并可使用高碳铬铁做合金原料，经济效果十分显著。

美国的不锈钢生产几乎全部用AOD炉。

目前世界上AOD炉生产的不锈钢约占75%。

ASEA-SKF炉和VAD炉均采用电弧加热钢